顶管施工方案说明书

6-1 顶管施工概况

穿运地涵顶管段的轴线采用直线布置，为过水能力为30m 3/s 、内径尺寸为3.5m 、外径为4.16m 、长553.1m 的钢筋混凝土顶管。顶管采用“F ”型接头式钢筋混凝土管，顶管共分3孔。管间净距4.94m ，管顶覆土厚5.0~6.0 m ，顶管顶高程-6.0m ，底高程-10.1m 。在顶管范围内分布的土层有③2、④1、④2、⑤1、⑤2层。其中③2、④2层土呈流塑状，高压缩性，土质差，京杭运河以北该二层土厚度相对较厚，顶管基础座落在④2层上，京杭运河以南顶管基础座落在⑤1、⑤2层上，土质较好。

顶管施工平、剖面图见附图6-01。

6-2 顶管施工工艺

⑴ 顶管施工流程 见下图：

顶管顶进工艺见附图6-02。 6-3 顶力计算

Φ3500mm 顶管全长553m ，采用土压平衡式顶管掘进机，穿越的土层主要为层④1粉土、层④2淤泥质粉质粘土和层⑤1粉质粘土。对顶管机头和管节的顶进阻力进行估算。

⑴ 顶管机正面最大阻力： Pt =r(H+2/3D)tg 2(45o +Φ/2)

=18.5(7.35+2×4.2/3) tg 2(45o +20.8 o /2)

=394kN/m 2 N =1/4πD 2Pt =1/4π×4.22×342 =5463kN

⑵ 采取注浆减摩措施时，553m 管道摩阻力：

F 摩 =K πD 1L

=5π×4.16×553 =39338kN

⑷实际顶力：

根据中继间的布置（见“6-4 中继间的布置”），顶进实际最大顶力就是100m管道摩阻力：

F实= KπD1 L1

=5π×4.16×100

=6535kN

式中：

N —顶管机正面阻力（kN）；

Pt —被动土压力（kN）；

r —土容重（kN/m3）；

H —最大复土深度（m）；

Φ—内摩擦角（º）；

D —顶管机外径（m）；

D1 —砼管道外径（m）；

K —砼管道单位面积摩阻力（kN/m2），根据《地基基础设计规范》（DGj08-11-1999），取 5 kN/m2；

L —砼管道长度（m）。

6-4 中继间的布置

⑴中继间的布置

根据以上顶力的计算并结合以往类似工程的施工经验，为了减少顶进阻力，提高顶进质量，减少地表变形，施工中必须采用中间接力顶进。

当总推力达到中继间总推力40%~60%时，设置第一只中继间，以后每当达到中继间总推力的70%~80%时，设置一只中继间。中继间的总推力为9000kN，使用中继间推进砼管道的长度：

L1=9000×75%/（5π×4.16）=103米

第一只中继间设于顶管机尾部处。以后每隔100米设置一只中继间，设置5只，余下的53米由主顶承担。每条顶管初步设置6只中继间，当主顶油缸达到中继间总推力的90%时，就必须启用中继间。在施工中根据实际情况对中继间的布置可以作必要的调整。

⑵顶进实际最大顶力：

根据中继间的布置，顶进实际最大顶力就是100m管道摩阻力：

F实= KπD1 L1

=5π×4.16×100

=6535kN

6-5 后背（座）设计

顶管的后座由钢后靠、后座墙和工作井后方的土体三者组成。在顶进过程中，各个油缸推力的反力均匀地作用在顶管的后座上。对顶管后座的承受力进行估算。

顶管后座的承受力R为：

R=αB(rH2Kp/2+2cH Kp)

=2.0×1.2【18.5×122×tg2(45o+20.8 o/2) +2×40×12×tg (45o+20.8o /2)】

=16775kN

式中：

R—顶管后座承受力（kN）；

α—系数（取2.0）；

B —后座墙的宽度（m）；

H —后座墙的高度（m）；

Kp—被动土压系数，tg2(45o+Φ/2)；

c —土的内聚力（kPa）。

为确保安全，顶管后座的实际承受力应为：

R/1.5=11184kN≤6535kN （实际最大顶力）

由以上可见，顶管工作井的后座满足顶管顶力要求。

根据设计要求顶进工作井后座土体进行了3排Φ850搅拌桩进行土体加固，具体见附图6-03：顶管后靠布置示意图。

6-6 顶管机头选型及设备

的规格、数量

⑴顶管机头选型

根据工程地质资料和业主要求。结合多年的顶管施工经验，决定选用多刀盘土压平衡顶管机进行施工。多刀盘土压平衡顶管机结构简单，设备投入少，经济合理，操作简便，技术先进，安全可靠，适用于淤泥质粘土、粘土、粉砂土、砂性土，尤其适用于在建筑群下、公路、河流等特殊地段的顶管施工。

⑵顶管机械设备

①多刀盘土压平衡顶管机

A. 根据土压平衡的基本原理，利用顶管机的刀盘切削搅拌正面土体，使机头土压仓内的土体压力平衡开挖面的水土压力，稳定土体。以顶管机的顶速(即切削量)为常量，螺旋输送机转速(即排土量)为变

量进行控制，使土压仓内的土体压力与开挖面的水土压力保持平衡，保证开挖面的土体稳定，控制地表的隆起和沉降。

B. 本机采用二段一铰承插式结构，在铰接处设置二道具有径向调节功能的密封装置，并设有注浆孔，便于在施工时同步注浆。刀盘为电驱动，变频调速，控制刀盘转速，并在土压仓面板设置3只土压传感器，显示正面土体的土压力值。纠偏系统采用8只双作用油缸，编成4组，与座标轴线呈45o布置，纠偏夹角α=±2o。

C. 在顶管机二段壳体之间均设有止转装置，可防止壳体在顶进中发生相对转动。密封土仓上方设置注浆孔，可注入水或泥浆，改善土质，便于排土。

D. 螺旋输送机采用轴向端部出土，增加排土高度，为大容量土箱运输创造条件。采用电驱动形式，变频调速，根据正面土体土压值大小，控制螺旋输送机排土速度，保持土压平衡。

②主顶装置

主顶装置由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压动力站等组成，是顶管施工的重要组成部分。

A、底架

主要承载顶管机、中继间、管节之用，底架为拼装式钢结构件，设置8只螺旋千斤顶，每只起重量320KN，可以调整底架高度达到施工要求；底架前端和两侧设置10只水平支撑，能将底架与井壁撑实，防止底架移位。底架上部设置内外两付轨道，左右对称分布，内轨道作顶管机、中继间、管节的承载之用，外轨道则为顶进环行走之用。

B、油缸组

根据要求，顶管机装备顶力为12000KN，选用双作用双冲程等推力油缸6只，每只油缸最大推力为2000KN，施工时主顶最大顶力不超过9000KN，避免因顶力过大使砼管节碎裂，并确保工作井安全。油缸行程S=3500mm，油缸分两组，并用可分式结构的支座固定，